1.本发明涉及一种光纤光谱仪，尤其涉及一种双光栅折叠光路光纤光谱仪。
背景技术：2.光纤光谱仪因其体积小、重量轻、价格低廉，与大型光谱仪相比，在生命科学、医疗诊断、固态照明、环境分析包括水质分析、烟气检测等领域均有广泛的应用。
3.光纤光谱仪广泛使用的色散元件是光栅，目前最常见的光栅有反射式光栅和透射式光栅。其中，反射式光栅一般以刻线基底材料生产，镀金属膜，在闪耀波长下衍射效率在60％-80％，而在非闪耀角设计情况下，衍射效率会降低。
4.专利文献cn106940291a公开的高分辨率的双光栅单色仪光路装置中提到的单色仪，光路结构由光环形器、光纤入射及出射结构、准直与聚焦镜、光栅一、光栅二及相关机械辅助结构制成。入射光经准直与聚焦镜准直后，由光栅一进行第一次衍射并入射到光栅二上，光栅二是反射型光栅，使光二次衍射后返回光栅一并进行第三次衍射，最后通过原准直与聚焦镜聚焦，原路返回到光纤出射机构处。由于本结构中总共发生了三次色散，使可利用的光谱范围变得很窄；此外该专利中的单色仪由于重复利用了准直与聚焦镜、光栅一，要兼顾入射与出射双程的调试效果，导致实际调试过程难度较大。因此本结构一般作单色仪来使用，应用到光谱范围较宽的情况时，需要配合精密的机械设计且同一时间点只能输出一个波长。
5.专利文献us6978062b2公开的wavelength division multiplexed device，其中波分复用器分光装置采用的结构是，光束由准直镜准直，入射到透射光栅一上进行第一次衍射，衍射光继续入射到光栅二上进行第二次衍射，继续入射到凹面镜上，聚焦后的光束由光栅一和光栅二之间的空间穿过，成为聚焦后的色散光斑后入射到波导阵列中。这种结构的优势是结构紧凑，入射和出射沿相反方向(夹角在180度左右)，使光纤、波导排布过程比较方便。当将此分光结构的光输出端改为ccd图像传感器并进行优化时发现，这种结构在光学设计过程中，由于光从头到尾一直沿同一方向地传输(光一直沿顺时针或逆时针)，使得最短波长和最长波长的光程累计差距较大，致使最后输出端无法以正交的方向接收光信号，而是与光线有一定夹角，这就导致了最终光斑产生了几何像差。在真正光谱仪设计和应用中难以采用这种设计。
技术实现要素：6.本发明所要解决的技术问题是提供一种双光栅折叠光路光纤光谱仪，体积小、调节简便，且在较大的光谱范围内满足高灵敏度、高分辨率及像素分辨率的要求。
7.本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种双光栅折叠光路光纤光谱仪，包括入射光纤端口、准直镜、光栅、聚焦镜和探测器模块，所述探测器模块为线阵ccd图像传感器或者面阵ccd图像传感器，其中，所述光栅包括第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅与水平方向呈135度夹角，所述第二透射光栅与水平方向呈45度夹
角；光从入射光纤端口入射，经准直镜后照射到第一透射光栅上发生第一次衍射，衍射光入射到第二透射光栅上进行第二次衍射，第二次衍射的光由聚焦镜反射到两透射光栅外部，并使得聚焦光斑斑点落在ccd图像传感器的感光面上。
8.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述第一透射光栅和第二透射光栅均为近红外波段透射光栅。
9.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述准直镜为消色差双胶合透镜或者非球面透镜。
10.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述聚焦镜为具有镀金属膜的凹面反射镜。
11.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述凹面反射镜与水平方向夹角在135度到180度之间，使得光两次衍射连续向第一方向偏转后，由凹面反射镜反射向第二方向偏转，并从两光栅外部出射，以便抵消前期两个透射光栅相同方向旋角而积累的光程差。
12.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述聚焦镜和光纤限制的入射数值孔≥0.15；入射光纤呈线性排布，并与狭缝高度一致。
13.上述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其中，所述线阵ccd图像传感器前设置有柱面透镜，第二次衍射的光由聚焦镜反射后经柱面透镜纵向压缩透射后落在ccd图像传感器上。
14.本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的双光栅折叠光路光纤光谱仪，光通过透射光栅进行了两次衍射，分辨率大大增加。透射光栅熔融石英的材质，使光在传输过程中损耗极其低，为提高光谱仪灵敏度提供了坚实的物理基础。两个透射光栅分别以45度、135度的特定角度摆放，这种类似u型的设计，使得光学设计过程中，光学元件的平面移动、转动非常便利，很容易避开一些机械干涉，这种高设计自由度令元件空间排布更加合理。同时，光栅在略微偏离45度、135度时，分辨率的变化对角度的变化极其不敏感，因此实际调试过程对光栅转角误差容忍度极高，大大降低了调试难度。本发明控制光两次衍射向第一方向偏转，然后由聚焦镜反射向第二方向偏转后从两光栅外部出射而非从两光栅之间穿过，因此平衡了前期积累的几何像差，使得ccd图像传感器最终能够呈现出更佳光斑，同时规避了级次光、杂散光、机械干涉等的风险。
附图说明
15.图1为本发明双光栅折叠光路光纤光谱仪结构示意图；
16.图2为本发明双光栅折叠光路光纤光谱仪的光路仿真图；
17.图3为本发明在1525nm～1575nm光谱范围内取的若干波长的光斑点列图；
18.图4为单向旋角方式的光路仿真图。
19.图中：
20.1入射光纤端口
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2准直镜
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3第一透射光栅
21.4第二透射光栅
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5聚焦镜
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6柱面镜
22.7ccd图像传感器
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
24.图1为本发明双光栅折叠光路光纤光谱仪结构示意图。
25.请参见图1，本发明提供的双光栅折叠光路光纤光谱仪，包括入射光纤端口1，准直镜2，第一透射光栅3，第二透射光栅4，聚焦镜5，柱面透镜6和ccd图像传感器7。光从入射光纤端口1入射，经准直镜2照射到第一透射光栅3上发生第一次衍射，衍射光入射到第二透射光栅4上进行第二次衍射，由聚焦镜5反射并聚焦，经柱面透镜6聚焦后透射到ccd图像传感器7上；实现了一定光谱范围内的高分辨率。这种折叠光路主要作用是在获得高分辨光谱的同时，还可以压缩入射焦距、出射焦距，从而减小了光谱仪的体积。入射焦距减小的同时，本发明可以允许更大的na数值孔径的光进入光栅分光，也就意味着相比于单光栅的光谱，本发明会得到更高的灵敏度。
26.本发明中的入射光纤端口1一般用标准sma座连接光纤，因光纤芯径较大，可以选择合适的狭缝来对入射光整形。优选地，入射光纤排布成线性，与狭缝高度一致，可以最大程度提高整体光路灵敏度。
27.本发明中的准直镜2采用消色差双胶合透镜，或者也可以是非球面透镜，以便良好改善后续光路的色差和光束质量。
28.本发明中的色散元件为两个透射式光栅：第一透射光栅3与第二透射光栅4；两个透射光栅采用熔融石英为基质，不含聚合物、胶水或环氧树脂，100％绝缘；两个透射光栅为近红外波段透射光栅，在一定光谱范围内，衍射效率可达95％以上，偏振相关损耗低于0.05db，明显优于反射式光栅。本发明中的两个透射式光栅采用同款，即尺寸和线数相同；也可以是不同款，线数可以据实际情况有所差异以更好地实现实际应用需求，相应的尺寸也因受光面积的变化相应不同。两个透射光栅采用45度、135度放置，也可以在此角度基础范围内据实际情况有所偏移。经过二块透射光栅的散射，散射效果为单个散射光栅的两倍，整体光谱仪相对于传统单光栅设计分辨率提高一倍，光谱范围窄一半。
29.本发明中的聚焦镜5采用镀金属膜的凹面反射镜，放置方式是令光从两光栅外部出射，而不是从两光栅之间穿过。优选地，所述凹面反射镜与水平方向夹角在135度到180度之间，使得光两次衍射连续向第一方向偏转后，由凹面反射镜反射向第二方向偏转，并从两光栅外部出射，以便抵消前期两个透射光栅相同方向旋角而积累的光程差。第一方向和第二方向相反，比如第一方向为逆时针方向，则第二方向为顺时针方向。聚焦镜5和光纤限制的入射数值孔径要大，数值孔径≥0.15。n.a越大表示进入的光越多，大到一定程度就没用了，光进不到系统里了。数值孔径如果小于0.15，在逐渐减小的情况下，通光量及灵敏度会下降，但是优点是分辨率会好，杂散光也会少。优选地，在本发明的光学系统中，综合设计的数值孔径在0.15左右。
30.本发明采用线阵ccd图像传感器或者面阵ccd图像传感器作为探测器模块；线阵ccd图像传感器需要配合前方的柱面透镜6共同使用，以便将纵向光斑压缩到ccd感光面上，提高光谱仪灵敏度；也可以只采用面阵ccd图像传感器作为探测器模块，那么就无需配合柱面透镜使用。
31.参见图1，当光束到达第一透射光栅3时，因入射光与衍射光都在法线同侧，因此两支相邻光束的光程差为
△
＝dsini+sinθ，同理，光束继续到达第二透射光栅4时，两支相邻光束的光程差为
△’
＝dsini’+sinθ’。由此可见，从准直镜2出发开始直至ccd图像传感器7截止，在同一介质中，最短波长光程为a1+a2+a3+a4，最长波长光程为z1+z2+z3+z4。可以看
到前期a1＜z1，a2＜z2，因此，这种45度、135度光栅结构，使得相邻波长累计的光程差变大，为了解决后期在光学设计中平衡像差遇到的困难，本发明将聚焦镜5按图1所示角度放置，致使a3＜z3，也就是继续增加最短波长与最长波长光程的差距，最终倒逼a4＞z4。这种排布方式，使得a1+a2+a3+a4与z1+z2+z3+z4几乎相差无几、平衡了像差；而ccd图像传感器7此时也恰好能处于一个几乎与光线正交的位置，使分辨率、灵敏度表现更加优异。
32.实施例的系统参数如下：
33.入射波长选取1525nm-1575nm的复色光输入光谱仪。两个透射光栅的刻线密度为1000lp/mm。两个高密度透射光栅使得光色散明显，但由于选取的光谱范围只有50nm，因此最终各波长典型值之间的分辨率差异并不大，也就是非常均匀。聚焦镜5设置的角度使光从两光栅旁边出射而非从两光栅之间穿过，抵消了前期两个透射光栅相同方向旋角而积累的光程差，平衡了几何像差。相应点列图如图3所示，所有波长分辨率基本在0.35nm～0.4nm，同时所有光斑都呈扁平、集中、矩形状。图2为本发明对应的光路仿真结构，可以发现，本发明结构更容易规避杂散光和机械干涉，元件设计自由度更高。对比图4光路仿真图发现，如果凹面镜采用此单向旋角(即控制光一直沿顺时针或逆时针偏转)的方式放置时，出射光从两透射光栅之间穿过，在优化过程中，为了平衡像差，ccd会与光线之间夹角不正交，这种情况会直接导致光束斜入射，分辨率及灵敏度下降，柱镜和ccd都无法得到最大效率的利用。而如果想通过改变凹面镜转角，又会面临出射光束与第一透射光栅3或第二透射光栅4机械干涉的风险。
34.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
技术特征：1.一种双光栅折叠光路光纤光谱仪，包括入射光纤端口、准直镜、光栅、聚焦镜和探测器模块，所述探测器模块为线阵ccd图像传感器或者面阵ccd图像传感器，其特征在于，所述光栅包括第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅与水平方向呈135度夹角，所述第二透射光栅与水平方向呈45度夹角；光从入射光纤端口入射，经准直镜后照射到第一透射光栅上发生第一次衍射，衍射光入射到第二透射光栅上进行第二次衍射，第二次衍射的光由聚焦镜反射到两透射光栅外部，并使得聚焦光斑斑点落在ccd图像传感器的感光面上。2.如权利要求1所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述第一透射光栅和第二透射光栅均为近红外波段透射光栅。3.如权利要求1所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述准直镜为消色差双胶合透镜或者非球面透镜。4.如权利要求1所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜为具有镀金属膜的凹面反射镜。5.如权利要求4所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述凹面反射镜与水平方向夹角在135度到180度之间，使得光两次衍射连续向第一方向偏转后，由凹面反射镜反射向第二方向偏转，并从两光栅外部出射，以便抵消前期两个透射光栅相同方向旋角而积累的光程差。6.如权利要求1所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜和光纤限制的入射数值孔≥0.15；入射光纤呈线性排布，并与狭缝高度一致。7.如权利要求1所述的双光栅折叠光路光纤光谱仪，其特征在于，所述线阵ccd图像传感器前设置有柱面透镜，第二次衍射的光由聚焦镜反射后经柱面透镜纵向压缩透射后落在ccd图像传感器上。
技术总结本发明公开了一种双光栅折叠光路光纤光谱仪，包括入射光纤端口、准直镜、光栅、聚焦镜和探测器模块，所述探测器模块为线阵CCD图像传感器或者面阵CCD图像传感器，所述光栅包括第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅与水平方向呈135度夹角，所述第二透射光栅与水平方向呈45度夹角；光从入射光纤端口入射，经准直镜后照射到第一透射光栅上发生第一次衍射，衍射光入射到第二透射光栅上进行第二次衍射，第二次衍射的光由聚焦镜反射到两透射光栅外部，并使得聚焦光斑斑点落在CCD图像传感器的感光面上。本发明提供的双光栅折叠光路光纤光谱仪，体积小、调节简便，且在较大的光谱范围内满足高灵敏度、高分辨率及像素分辨率的要求。要求。要求。
技术研发人员：于永爱 郭韦含 徐晶晶 陈娟
受保护的技术使用者：上海如海仪器设备有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
